顆粒捕集器

發動機的污染主要來自4個組成部分—— 微粒排放物質（PM）、碳氫化合物（HCx）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）。其中微粒排放物質（煙灰）大部分是由碳或碳化物的微小顆粒（尺寸小於4-20 μ m）所組成的。

顆粒捕集器能夠減少發動機所產生的煙灰達90%以上。捕捉到的微粒排放物質隨後在車輛運轉過程中燃燒殆盡。它的工作基本原理是： 如柴油微粒過濾器噴塗上金屬鉑、銠、鈀，柴油發動機排出的含有炭粒的黑煙，通過專門的管道進入發動機尾氣微粒捕集器，經過其內部密集設置的袋式過濾器，將炭煙微粒吸附在金屬纖維氈製成的過濾器上； 當微粒的吸附量達到一定程度後，尾端的燃燒器自動點火燃燒，將吸附在上面的炭煙微粒燒掉，變成對人體無害的二氧化碳排出。為了做到這一點，排氣後處理系統應用了先進的電控系統、催化塗層和燃料添加型催化劑（FBC）。這種燃料添加型催化劑包含諸如鈰、鐵和鉑等金屬。這些材料按比例加入到燃料中，在發動機控制系統的幫助下不僅控制微粒排放物質的數量，而且還控制碳氫化合物和污染氣體等污染物的排放量。 捕捉器的再生或淨化功能必須在可控的基礎上完成，以保持捕集器不被煙灰堵塞。在淨化週期結束以後，任何殘留灰塵或濾渣最終都將在日常維護中被人為地清除。

顆粒捕集器可以有效地減少微粒物的排放，它先捕集廢氣中的微粒物，然後再對捕集的微粒進行氧化，使顆粒捕捉器再生。所謂過濾器的再生是指在長期工作中，捕集器裏的顆粒物逐漸增加會引起發動機背壓升高，導致發動機性能下降，所以要定期除去沉積的顆粒物，恢復捕集器的過濾性能。捕集器的再生有主動再生和被動再生兩種方法：主動再生指的是利用外界能量來提高捕捉器內的温度，使微粒着火燃燒。當捕集器中的温度達到550℃時，沉積的顆粒物就會氧化燃燒，如果温度達不到550 ℃，過多的沉積物就會堵塞捕捉器，這時就需要利用外加能源（例如電加熱器，燃燒器或發動機操作條件的改變）來提高DPF內的温度，使顆粒物氧化燃燒。被動再生指的是利用燃油添加劑或者催化劑來降低微粒的着火温度，使微粒能在正常的發動機排氣温度下着火燃燒。添加劑（有鈰，鐵和鍶）要以一定的比例加到燃油中，添加劑過多會影響DOC的壽命，但是如果過少，就會導致再生延遲或再生温度升高。 ^[1] 

隨着國六排放法規的逐步實施，為了減少汽油機顆粒物排放，GPF已經成為其後處理系統的標準配置。GPF過濾機理與DPF基本相同，排氣以一定的流速通過多孔性的壁面，這個過程稱為“壁流”（Wall－Flow）。壁流式顆粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窩狀陶瓷組成，通過交替封堵蜂窩狀多孔陶瓷過濾體，排氣流被迫從孔道壁面通過，顆粒物分別經過擴散、攔截、重力和慣性四種方式被捕集過濾。大量研究表明，壁流式過濾器是目前減少顆粒排放最有效的手段。 ^[2] 

1、GPF過濾材料選擇

決定汽油機顆粒捕集器性能的關鍵是過濾材料，其過濾能力、機械強度、熱穩定性、散熱能力等物理性能直接影響GPF的結構設計，從而影響GPF的過濾效率、排氣背壓、使用壽命等指標。與DPF過濾材料性能要求相似，GPF過濾材料需具備以下性能：

1） 較高的過濾效率、較低的排氣阻力；

2） 較小的熱膨脹係數、熱穩定性好及能承受較高的熱負荷；

3） 良好的抗高温性和耐熱衝擊性、耐腐蝕性；

4） 較高的機械強度和抗振動性。

GPF過濾材料主要是堇青石、SIC、AT、合金。

2、裝排比設計

低背壓設計的GPF捕集器長度與直徑的比值（L/D）、安裝位置對壓降有重要影響，L/D從1.1減小到0.6後，壓降將減小52%。綜合考慮碳載能力、效率和空間要求，選擇GPF裝排比為1：1.1，L/D=1：1.1。其中，D=118.4mm，L=127.0mm。

3、結構參數設計

為了滿足效率、碳載和背壓的需求，應合理的設計GPF孔隙率、孔徑及目數/壁厚等結構參數，使其滿足高效率、高碳載量、低背壓及耐熱性高等特性。同時，為了保證再生可靠和避免二次污染，塗敷少量催化劑有助GPF被動再生。目前，GPF商業化產品應用主要有H1和H2兩種技術。其中，H1技術的載體承載低塗敷，為0～50g/L，H2技術的載體承載高塗敷，一般為50～150g/L。顯然，H2技術比H1技術的GPF孔隙率大，在相同的排氣流量/温度下，背壓減小，但目數/壁厚型譜較多，其壁厚/目數、塗覆量需要根據背壓計算和排放測試結果來確定。 ^[2] 

具有良好燃油經濟性和動力性的柴油機廣泛應用於各個行業，如機動車、發電機組、船舶等。然而，柴油機的顆粒物 （PM） 排放一直備受關注。PM 能長時間懸浮在空氣中，污染環境並影響到人類的身心健康。隨着柴油機排放標準的日趨嚴格，柴油機顆粒捕集器 （DPF） 成為了柴油車尾氣排放達到標準的必備技術之一。DPF 在設計上必須從功能、性能、維護等方面考慮，即過濾效率、壓差損失、耐高温、抗灰分腐蝕、清灰里程等。

壁流式 DPF 的工作原理見圖。

相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵孔，迫使氣流通過多孔的壁面，而顆粒物被捕集在壁面孔內以及入口壁面上，其捕集效率可達90%以上。自 2000 年法國標緻雪鐵龍公司開始量產裝有 DPF 柴油轎車以來，DPF 商業化應用已有 15 年曆史。各種氧化物和非氧化物材料應用於 DPF，各種結構的 DPF 得到發展。由於DPF 工作在高温和腐蝕性尾氣中，DPF 材料需要具有抗灰分腐蝕、耐熱衝擊等優良特性。理論上，具有低熱膨脹係數和高導熱係數的材料最適合於 DPF應用，高導熱係數使得 DPF 在再生過程中温度分佈均勻；而低熱膨脹係數有助於降低 DPF 再生時產生温度梯度而導致的熱應力，從而避免 DPF 產生裂縫。清灰里程是 DPF 設計必須考慮的一個重要指標。為了延長 DPF 清灰里程，DPF 往往採用大的入口過濾體積設計。如日本 Ibiden （揖斐電）公司採用入口為八邊形結構的 DPF，而日本 Sumit-omo（住友）公司則採用非對稱六邊形結構 DPF，法國 Saint-Gobain 公司則採用非對稱波紋結構 DPF 等。各種催化劑塗敷技術應用於 DPF，以降低再生温度，減少顆粒（PM）排放，以及減少安裝空間尺寸 （SCR on DPF 技術） 等，DPF 的內部結構也在不斷變化，以適應新的催化劑塗敷技術的發展。 ^[1] 

由於 DPF 需要在高温、腐蝕氛圍中長時間工作，因此 DPF 材料需要具備優良的熱穩定性、高的機械強度、良好的耐熱衝擊等性能。理論上最佳的 DPF 材料應具備高的導熱係數和低的熱膨脹係數。較高的導熱係數使得 DPF 再生時，其內部温度分佈均勻，產生小的最高温度和温度梯度。而低的熱膨脹係數能有效地減少 DPF 由於徑向和軸向的温度梯度產生的壓縮和拉伸應力，避免 DPF 過早產生裂縫，甚至造成 DPF 破裂，使得其由於 PM過濾效率急劇下降而失效。

由於成本低，堇青石 DPF 被廣泛應用於重卡排放控制，同時，還具備熱膨脹係數低的優點，可以做成整體式結構。但是由於其熔點和熱容較低，易與灰分產生共熔，在不可控再生情況下，容易被燒穿。鈦酸鋁 DPF 具有優異的抗熱衝擊性能，儘管其導熱係數低，但是熱容量較大，適合做成整體結構。莫來石 DPF 微觀結構由大量針狀的莫來石晶粒互鎖而成，具有大的孔隙率和平均孔直徑，以及高的比表面積，適合大的催化劑塗敷量應用；但是其具有大的熱膨脹係數，需要做成分割式結構。碳化硅 DPF 具有高的機械強度、不易疲勞、耐酸和灰分的腐蝕，同時還具備大的熱容量和導熱係數，高的熱膨脹係數，使其不能做成整體結構。氮化硅的導熱係數和熱膨脹係數介於堇青石與碳化硅之間，楊氏模量較低，具有優異的抗熱衝擊能力，可以做成一個不需要分割的整體式結構DPF。氮化硅 DPF 的微觀結構具有很多微凸，能有效增加催化劑比表面積，提高碳煙與催化劑的接觸面積，能有效地改善 DPF 再生效率；但是由於其生產成本較高，目前商業化前景尚不明朗。被認為第三代 DPF 材料的鈦酸鎂，具有高的熱穩定性和分佈比較窄的孔結構，使得鈦酸鎂 DPF 具有高的過濾效率和低的背壓損失，具有廣泛的應用前景，目前還處於實驗室研究階段。 ^[1] 

DPF 結構設計的主要目標： （1） 通過增大入口孔的過濾體積，增加 DPF 的儲灰能力，同時減少高碳煙負載時的背壓； （2） 通過優化 DPF 的孔隙率和平均孔直徑分佈，適應不同催化劑塗敷量的要求 （in-wall coating），保持低的壓差損失； （3）通過在壁面上塗敷一層薄薄催化劑 （on-wall coat-ing） 的設計，可以提高 DPF 的初始 PM 過濾效率，以及再生效率，消除深層過濾。

所謂“in-wallcoating”塗敷技術就是把含有催化劑的漿料均勻地分佈在 DPF 過濾壁內孔晶粒表面，達到增加碳煙與催化劑接觸面積的效果；而“on-wall coating”技術就是在 DPF 入口過濾壁表面上塗敷一層很薄的含催化劑的漿料，消除 DPF 壁深層過濾。

1、DPF 孔結構演變

傳統壁流式 DPF 孔是方形孔結構，並交叉堵孔，迫使氣流流經過濾壁面，顆粒被捕集在壁內部孔表面上（深層過濾）和壁表面上，形成一層碳煙過濾層。當碳煙負載量較多時，表層過濾將會是影響 DPF壓力損失的主要因素，因而增加 DPF 的有效過濾面積，在同等的碳煙量情況下，累積在 DPF 過濾壁面上的碳煙厚度將減小；另外，提高 DPF 入口的開孔率，能有效提高 DPF 的過濾容積，加強 DPF 的灰分儲存能力，延長清灰里程。為此，不同的 DPF 研究者和生產企業對 DPF 孔結構進行了很多的創新設計。日本揖斐電公司作為全球碳化硅 DPF 市場的領導者，在 DPF 結構設計方面做出了很多創新，其中最具代表性的就是“OS”孔結構的 DPF，入口為八邊形，出口為正方形。“OS”孔結構 DPF 的清灰里程比傳統的對稱孔結構 DPF 的要長 30%。作為 DPF 市場的主要參與者，美國康寧（Corning）公司和日本NGK 公司也開發了類似孔結構的堇青石、鈦酸鋁、複合碳化硅等材料的 DPF。德國清潔柴油陶瓷公司（Clean Diesel Ceramic Gmb H） 開發了三角形孔結構DPF，與方形孔對稱結構 DPF 相比，過濾面積能增加 14%；但是該公司的產品以 200 目為主，主要應用於歐洲在用車改造市場。日本 TYK 公司開發出的六邊形碳化硅 DPF。法國 Saint-Gobain 開發的出波浪形非對稱結構碳化硅 DPF，能有效縮短 DPF 長度。日本住友公司開發的出非對稱六邊形孔結構鈦酸鋁 DPF（AT），有效過濾面積高達14cm²/cm³，已經在波蘭建廠，投入批量生產。為了進一步鞏固市場佔有率，揖斐電公司在產品差異性上又做出了創新，採用有效的堵孔技術，並推出了所謂的“VPL”（Val-ued plugging Layout）DPF。其有效過濾面積高達15.5cm²/cm³，而且有效過濾體積也提高了 15%。這種獨特結構能縮小 DPF 體積達 33%，減少 DPF 的使用成本，而且還保持優良的性能。

2、DPF 孔隙率與平均孔直徑

重結晶碳化硅由於在高温下燒結幾乎不收縮，孔的形成主要取決於具有雙峯粒徑分佈的碳化硅粉的結合，因此能形成分佈比較均勻的微孔分佈。然而採用複合碳化硅、堇青石和鈦酸鋁這 3 種材料的DPF，由於使用了造孔劑，在燒成過程中，收縮率比較大，因而孔的平均直徑分佈比較寬。

DPF 對 PM 的初始過濾效率主要取決於微孔結構，孔的平均直徑分佈窄，對 PM 的過濾效率更高。當 DPF 捕集到一定量的 PM 時，DPF 微孔結構對 PM 的過濾效率沒有明顯的影響。

很顯然，重結晶碳化硅 DPF 初始的 PM 過濾效率要高於堇青石 DPF，當 PM 捕集到 0.5g/L 時，二者的 PM 過濾效率相當，高達99%。這是由於此時 DPF 從深層過濾過渡到表層過濾。

3、不同 DPF 技術的結構要求

所謂的“二合一 （Two in One）”技術就是把SCR 催化劑塗敷在 DPF 載體內，集 SCR 和 DPF 的功能於一體，這樣能有效降低成本，並減少系統的安裝空間。然而，跟傳統的基於 CDPF 再生技術和基於 FBC 再生技術的 DPF 結構相比，基於“二合一”技術的 DPF 需要更大孔隙率和平均孔直徑。由於基於 FBC 再生技術，放熱速度快，對DPF的熱衝擊比較大。對於這一情況，一般通過減少目數，增加壁厚，以及減少孔隙率和平均孔直徑等設計手段來增加 DPF 的熱容量，從而減少其在“發動機進入怠速運行 （Drop in Idle）”情況下的最高温度和温度梯度。CDPF 技術能有效降低 DPF 再生時的温度，有助於提高燃油經濟性；但是一般催化劑塗敷量不是很大， 5~10g/L。因此應用於CDPF 技術的 DPF 需要適中的孔隙率和平均孔直徑。基於“二合一”技術往往要求高達 90~220g/L，甚至更高的催化劑塗敷量。這勢必導致 DPF的壓差增大，惡化燃油經濟性，因而設計高孔隙率和大平均孔直徑 DPF 滿足高塗敷量、低背壓要求。 ^{[1]  [3]}